关键词 路灯无线监控系统 监控终端 无线传输 控制中心
多年来，国内城市路灯无线监控系统的通信网基本上采用UHF频段无线专用网方式，目前也有人主张采用公用通信网（GSM网络的GPRS、SMS、USSD或CDPD）。应该说，这两种方案均可实现路灯无线监控系统的通信功能，但在技术上各有特点。公用网的主要优点是数据传输速率较高（在9600b/s以上），缺点是接续时间较长，不能实现广播通信，因此无法满足景观灯开启的一致性要求; 另外，还必须按月缴纳通信费，运行费用较高。无线专用网可以实现广播通信，而且接续时间短，特别适合于构建路灯监控系统的通信网，运行费用较低。因此，在网络覆盖可以满足要求，且无线电频率资源允许的情况下，路灯无线监控系统采用无线专用通信网比较适宜。基于上述分析和比较，南昌市路灯管理处与中国电子科技集团公司第五十研究所于2002年合作研制南昌路灯监控系统时，确定采用专用无线通信网方案。现将这一通信网的设计方案简介如下。
1、系统主要技术指标
● 系统容量：路灯监控点可扩大到1万个。
● 无线通信频率：使用230MHz专用数传频段。
● 工作方式: 异频半双工
● 系统数传速率: 1200 b/s
● 系统数传误码率: 优于1×10-5
● 覆盖半径: 大于20km
2、系统数传误码率指标的确定
数传误码率Pe是无线数据通信系统中最重要的一项指标，它表示通信系统中数据传输的差错概率。从计算机数据传输要求来说，差错概率等于零是最理想的，但实际上不可能达到。因为数据传输要经过发射端的调制、无线电波的空中传输、接收端的放大解调，在这一过程中，数据信号将受到调制失真、发射和放大过程中的非线性失真、电子器件的白噪声干扰以及空中不可避免的各种无线电干扰，这些不利因素只可能减少，不可能消除。因此数传误码率Pe只能降低，不可能为零。同时，降低误码率指标是要付出经济代价的。就路灯无线监控系统来说，其数据帧长度接近100个字节，数据总长度约为1000bit左右。只要选取Pe优于1×10-5，即可达到每发送100帧数据的差错概率不大于1次。对于出现差错的数据帧，可以采取检错、纠错等措施检测并予以纠正。因此，确定Pe优于1×10-5的指标，既可以满足系统要求，也不会对设备和系统造成投资的浪费。
3、通信场强门限值的确定
系统数传误码率指标是直接受制于接收机输出信噪比的，因此首先需要确定通信系统接收机输出的场强门限值，即最低输出信噪比（Signal-Noise Ratio——S/N）。
无线通信系统的接收机输出信噪比是一个受诸多因素作用的呈现正态分布的随机变量。它的数学期望为μ，方差为σ2。一般情况下，希望μ值越接近目标值越好；同时也希望σ2值越小越好，因为σ2值反映的是实际特性值偏离μ值的离散程度。
在概率统计学中，引用变异系数γ(γ=σ/μ)来表示实际值可能偏离μ值的程度。我们引入一个新的评定指标η?μ2/σ2 式中μ2值看作信号，σ2值看作人们不希望有的噪声。
在实际计算中，模仿通信理论中的处理方法，将η罩底???直粗担╠B）值。用下式计算
η=10lgη
这样做的目的是使η值较接近正态分布，且使效应也基本具有线性可加性，便于今后用方差分析的方法进行统计处理和分析。
由于目前无线通信系统通常采用CPFSK调制方式，使接收机易于实现，与QPSK的调制方式相比对相位稳定度要求不高，不易受外界温度噪声的影响，而且在信号解调处理时实现低功耗。因此在无线远程监控系统中，目前普遍使用的调制解调方式为CPFSK-FM方式。根据柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式：
Pe: 系统容许的最高误码概率
E: 信号能量
N: 噪声功率谱密度
S: 信号功率S＝E/T(T为信息持续时间)；
噪声功率N＝WN(W为信号频带宽度) ；
信息带宽B＝l/T
根据理论计算，当Pe优于1×10-5时，解调器输入信噪比的理论值为15dB左右[1]。
无线数传设备生产厂商的产品标准给出的指标为：当接收机输入信号为1μv（相当于接收机输出信噪比18～20dB）时， Pe优于1×10-5。该产品标准比理论值15dB高3dB左右，是较为合理的。由此得出，在工程设计中，通信场强较为合理的门限值为1μv（即0dBμv）。
4、无线覆盖区计算
最具有代表性的接收点信号场强预测模式有七种：平地模式、修正平地模式、Egli模式、Longley/Rice模式、CCIR号建议、CCIR567号报告、Okumura/Hata模式。我国有关单位对北京、上海、广州及郑州作过场强测试， Egli模式在郑州偏差最小[2]。考虑到南昌的城市规模、地形和建筑物平均高度与郑州比较接近，因此本文对南昌的无线覆盖区计算采用Egli模式。
南昌市无线路灯监控系统基本参数如下: 通信距离以25km计算；频率：230MHz；监控中心站天线高度：50m（10楼顶加20m天线塔）; 终端站天线高度: 3～5m。中心站使用12dB高增益全向天线，终端站使用 9dB定向天线
Egli模式算法的基本传输损为：
Lb= 78+20log f+40log d-20log hb-10log hm
以f（系统工作频率）=230(Mhz) , d（通信距离） = 25(km), hb（中心站天线高度）= 50(m) , hm（终端天线高度）= 3(m)代入计算，得基本传输损耗Lb= 140dB。
中心站发射功率25w（44dBm），天线增益12dB，馈线长度60m损耗3dB（低损耗馈线，0.5dB/10m）；终端站发射功率10w（40dBm），天线增益9dB，馈线损耗1dB。接收机门限电平1μv=-107dBm。
由此算得下行功率余量28dB，上行功率余量24dB。
考虑到路灯终端的安装在路边，汽车火花干扰较大，根据《电信工程设计手册·移动通信分册》的建议，需留有8dB恶化余量。中心站需要留有3dB恶化余量。由此算得系统下行功率余量12dB，上行功率余量13dB。
根据工程设计手册，在准平坦地区城市范围内覆盖区边缘可通率L与功率余量DL的关系式为DL=K(L)×δL。
当系统功率余量DL=12dB，δLw=5时，可通率L =99%。
考虑到实际系统的终端设备是固定安装的，通信较差的1%的站点可以采取移动位置、升高天线、增加天线增益等措施予以解决，使实际系统的可通率达到100%。
因此，本系统可以不必架设中继站。对于将来可能发生的个别盲点，可以采用无线智能中继路由（数据转发）的方法沟通。
5、无线通信系统组成框图
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无线通信系统组成框图
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无线通信系统组成框图如上图所示。从缩短通信路径、提高通信可靠性的角度出发，监控终端应以最短的路径把数据送到主台。个别通信条件确实很差，无法直接与中心站沟通的站点（如路灯终端k）可采用无线智能路由中继（数据转发）的方法，由路灯终端j进行中继转发。调度端中心控制室微机系统借助无线信道与远程终端交换控制信息，并通过远程终端对照明控制箱中的电压、电流、有功功率、工作状态进行采集，藉以判断所管辖的各照明线路以及控制箱自身工作是否正常。同时，调度端中心控制室微机系统也可将控制信号发送给远程终端，直接对控制箱进行开/关灯的远程遥控。
参考文献：
[1]《现代通信系统原理》 张孝强主编 人民邮电出版社 1994年。
[2]《电信工程设计手册·移动通信分册》 邮电部北京设计院宋直元等编著 人民邮电出版社 1994年。